近年我國水稻栽培學科若干熱點領(lǐng)域研究進展與展望

朱均林 褚光 章秀福

（中國水稻研究所/水稻生物育種全國重點實驗室，杭州 311400；*通信作者: chuguang@caas.cn）

2020—2022 年，我國水稻單產(chǎn)和總產(chǎn)水平一直處于歷史高位，優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)高效與環(huán)境友好成為新時期水稻產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展的主題。水稻耕作栽培的創(chuàng)新發(fā)展為我國水稻產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了最直接的科技支持，確保了我國稻米口糧絕對安全，實現(xiàn)了由“吃飽”到“吃得好、吃得放心”的質(zhì)的躍升。就學科發(fā)展而言，主要體現(xiàn)在水稻無人化數(shù)智栽培、優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)綠色栽培、可持續(xù)多熟制種植、再生稻機械化栽培、稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)以及稻田低碳減排栽培等熱點領(lǐng)域。本文對本學科近3 年國內(nèi)研究進展進行梳理，對國外相關(guān)研究作簡單介紹，并對未來5 年或更長時期我國水稻耕作栽培研究發(fā)展作一展望，以期為國內(nèi)外同行和感興趣的讀者提供參考。

1 水稻栽培學科國內(nèi)研究進展

1.1 水稻無人化數(shù)智栽培

我國水稻生產(chǎn)在耕、種、管、收等主要環(huán)節(jié)均已基本實現(xiàn)機械化，但生產(chǎn)過程仍需投入較多的人力，很難適應(yīng)新時代的發(fā)展需求[1]。隨著數(shù)智農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，水稻生產(chǎn)作業(yè)的“無人化”是未來發(fā)展的基本方向。當前，國內(nèi)已涌現(xiàn)出一大批“無人化”數(shù)智稻作新技術(shù)。例如，“無人化”飛播技術(shù)、“無人化”耕整地技術(shù)、“無人化”精準機插技術(shù)、“無人化”精準施肥技術(shù)和智能遠程控制灌溉技術(shù)等。其中，又以“無人化”飛播技術(shù)的發(fā)展最為迅猛。此前，我國水稻機械直播栽培中主要采用的是以有人駕駛的地面機械為平臺，開展機械化直播作業(yè)，存在作業(yè)效率偏低、對耕整地要求高等缺點[2]?！盁o人化”飛播栽培模式不僅具備作業(yè)效率高、工作強度低、使用成本低、智能化程度高的特點，還可以減少復雜地形對播撒作業(yè)的干擾[3-4]。此外，無人機還可以通過更換部件開展撒肥、噴藥等作業(yè)，可以更加深入的參與水稻栽培管理[5-6]。近年來，揚州大學張洪程院士團隊開展稻麥耕種管收關(guān)鍵環(huán)節(jié)田間“無人化”作業(yè)技術(shù)研究，研發(fā)出了稻麥綠色豐產(chǎn)“無人化”栽培技術(shù)，該套技術(shù)以水稻機插整合栽培無人化作業(yè)技術(shù)、水稻直播與小麥條播整合栽培無人化作業(yè)技術(shù)為核心，配套無人機飛防高效植保技術(shù)、智能遠程控制灌溉技術(shù)和智能精準無人化收獲技術(shù)，創(chuàng)建機插和直播兩套水稻及精量條播小麥栽培田間“無人化”作業(yè)工程技術(shù)體系[7]。2021 年，該項技術(shù)被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部評選為10 項重大引領(lǐng)性技術(shù)之一。依托生物技術(shù)、智能農(nóng)機和信息技術(shù)建設(shè)的“無人農(nóng)場”是實現(xiàn)無人化數(shù)智農(nóng)業(yè)的重要途徑[8-9]。近年來，華南農(nóng)業(yè)大學羅錫文院士團隊集成了耕種管收生產(chǎn)環(huán)節(jié)全覆蓋、機庫田間轉(zhuǎn)移作業(yè)全自動、自動避障異況停車保安全、作物生產(chǎn)過程實時全監(jiān)控和智能決策精準作業(yè)全無人等關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)了水稻“無人農(nóng)場”，在數(shù)智農(nóng)業(yè)發(fā)展中表現(xiàn)出巨大的潛力[10]。“無人農(nóng)場”的建設(shè)為解決“誰來種田”和“如何種田”的問題提供了重要途徑，同時對我國“無人農(nóng)場”建設(shè)起到了示范作用。

1.2 水稻優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)綠色栽培

長期以來，我國水稻形成了“高投入、高產(chǎn)出、高污染、低效益”的生產(chǎn)模式。這種模式為保障我國糧食安全供給做出巨大貢獻的同時，也導致了生產(chǎn)成本大幅增加，還引起稻米品質(zhì)變劣，稻田可持續(xù)生產(chǎn)受到威脅[11-12]。這些問題的出現(xiàn)意味著我國需要在水稻新品種培育和栽培措施創(chuàng)新等方面做出根本性改變。近年來，優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)綠色栽培已成為水稻栽培學研究重點，同時也是難點。我國因地制宜地通過栽培模式創(chuàng)新和管理措施優(yōu)化，提出了如“水稻好氧栽培技術(shù)”“水稻側(cè)深施肥技術(shù)”“水稻增密減氮栽培技術(shù)”“ 水稻雙季雙直播技術(shù)”等綠色豐產(chǎn)栽培新模式，緩解了高產(chǎn)與高效、高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)、用地與養(yǎng)地之間的矛盾，協(xié)調(diào)了環(huán)境因素與高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、安全之間的相互關(guān)系，基本實現(xiàn)了“少打農(nóng)藥、少施化肥、節(jié)水耐旱、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)”的綠色目標[13-22]。以“水稻側(cè)深施肥技術(shù)”為例，相較于肥料面施，該技術(shù)可以將養(yǎng)分準確的輸送到植株根部，從而減少氨揮發(fā)和地表徑流帶來的氮流失，提高水稻根區(qū)供氮能力，使水稻秧苗在前期有足夠的養(yǎng)分，促進水稻分蘗早生快發(fā)，從而實現(xiàn)水稻綠色高產(chǎn)栽培[15-16]。“水稻增密減氮技術(shù)”可以在減少氮肥投入10%~20%的基礎(chǔ)上，保證水稻不減產(chǎn)，并顯著提高氮肥利用效率，減少氮肥損耗[17-21]。此外，中國水稻研究所的一項研究表明，以“水稻增密減氮技術(shù)”與“水稻好氧栽培技術(shù)”為核心構(gòu)建的“水稻優(yōu)化栽培技術(shù)”，可以較農(nóng)戶習慣栽培模式減少水、氮資源的投入，并可顯著提高水稻產(chǎn)量以及水、氮利用效率[23]。

1.3 再生稻機械化栽培

再生稻是指頭季收獲后，實施相應(yīng)田間管理措施，促使頭季稻樁上的腋芽生長發(fā)育與抽穗結(jié)實，實現(xiàn)“一種兩收”或多次收獲的水稻種植模式。這種模式是溫光資源種植水稻“一季有余而兩季不足”地區(qū)的理想種植模式，對緩解農(nóng)忙與減輕勞作強度、促進農(nóng)民增產(chǎn)增收、保障國家糧食安全具有重要意義[24]。近年來，再生稻已在我國南方湖北、重慶、四川、福建、江西、安徽、湖南等15 個?。ㄊ校┓N植，年推廣面積約為130 萬hm2[24-25]。華中農(nóng)業(yè)大學彭少兵教授團隊從高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)再生稻品種篩選、再生稻機械化生產(chǎn)的農(nóng)機農(nóng)藝配套技術(shù)優(yōu)化、肥水運籌管理及其優(yōu)化、再生稻專用機械的研制、再生稻無公害化生產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)開展研究，建立了“機收再生稻豐產(chǎn)高效栽培技術(shù)模式”，并在湖北等地大面積推廣應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益[26]。湖南農(nóng)業(yè)大學唐啟源教授團隊按照再生稻大面積高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的原則，構(gòu)建了“機收再生稻‘四防一增’高產(chǎn)高效栽培技術(shù)體系”，即防再生季抽穗遭遇寒露風、防頭季高溫危害、防紋枯病和稻飛虱等病蟲危害、防倒伏以及增強再生出苗能力，對促進湖南省再生稻產(chǎn)量的穩(wěn)步提高發(fā)揮了重要作用[27]。福建農(nóng)林大學林文雄教授團隊研究提出采用人工收割高留樁栽培再生稻時，選擇頭季分蘗力較弱、再生季再生力強的重穗型雜交秈稻品種（組合）易獲高產(chǎn)；采用機械化收割低留樁栽培再生稻時，選擇具強低位芽再生力的雜交秈稻品種或感光性弱的重穗型雜交粳稻品種（組合）、秈粳雜交稻品種（組合）易獲高產(chǎn)[12,28]。同時，提出適時早播、畦栽溝灌、二次烤田、重施促芽肥、適高留樁的人工收割高留樁再生稻栽培技術(shù)[9,25]。

1.4 稻田多元多熟制種植

多熟制種植是指一年內(nèi)在同一塊土地種植兩種或兩種以上的作物，該種植模式可以充分利用溫光資源，大多采用復種和間套作的種植模式，實現(xiàn)作物生產(chǎn)在時間或空間上的集約化。自2020 年以來，構(gòu)建了多元多熟的高效種植模式，形成了“種植層次化、作物搭配多樣化、土地利用高效化”的新局面。例如，長江中下游稻區(qū)具有溫光資源豐富、熱量充足、雨量充沛、雨水集中和無霜期長等特點，是我國多熟種植最廣泛的區(qū)域。近年來，在原有早稻-晚稻、單季稻-小麥、單季稻-油菜、單季稻-綠肥、單季稻-冬閑的基礎(chǔ)上，發(fā)展了諸如早稻-晚稻-油菜、早稻-晚稻-馬鈴薯、早稻-鮮食大豆-油菜、早稻-鮮食玉米-馬鈴薯等多種一年三熟種植新模式，并得到廣泛應(yīng)用，取得了良好效果[29]。華南稻區(qū)的春煙-水稻-蔬菜、玉米-晚稻-蔬菜、花生-晚稻-馬鈴薯等經(jīng)濟高效多熟制種植模式，充分實現(xiàn)了集約利用土地、光、熱以及勞動力資源[27]。西南稻區(qū)則以成都平原為代表，發(fā)展出穩(wěn)糧增效型和穩(wěn)糧高效型兩大類糧油多熟制種植制度，主要模式有:水稻-秋冬菜-春菜、水稻-馬鈴薯、水稻-油菜、水稻-秋菜-小麥、水稻-秋菜-油菜等[30-31]。近期，在四川、重慶等大部種植水稻“一季有余，兩季不足”地區(qū)，廣泛開展再生稻生產(chǎn)，實現(xiàn)了“一種兩收”和糧食增產(chǎn)[25]。

1.5 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)

稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)是將水稻種植與水產(chǎn)或水禽等水生動物養(yǎng)殖有機結(jié)合，通過稻田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流、效益流循環(huán)，充分發(fā)揮水稻、水生動物的互利共生作用，構(gòu)建高產(chǎn)、高效復合型的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。近年來，我國稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式不斷創(chuàng)新，推廣應(yīng)用面積迅速擴大。根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，2020 年全國稻田綜合種養(yǎng)面積超過240 萬hm2。我國南方主要稻區(qū)因地制宜的探索發(fā)展出如稻-蝦、稻-鱉、稻-鰍和稻-蟹等新型稻田生態(tài)種養(yǎng)新模式，把傳統(tǒng)的稻田養(yǎng)殖推進到了“以漁促稻、穩(wěn)糧增效、質(zhì)量安全、生態(tài)環(huán)?！钡男码A段[32]。2021 年，“稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)技術(shù)”入選農(nóng)業(yè)農(nóng)村部主推技術(shù)。大量研究表明，“稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)技術(shù)”可以實現(xiàn)水稻生產(chǎn)中有機肥與無機肥的配施，能有效解決如氮肥施用過多而導致氮素等養(yǎng)分利用率降低、養(yǎng)分流失、稻田綜合收益低等問題[33-35]。此外，該技術(shù)在一定程度上還能夠抑制稻田的病蟲草害，豐富土壤中細菌群落的多樣性，提升了土壤微生物的活躍度，改善稻田生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[35]。例如，在“稻魚共作”模式中，魚排泄物中的氮有75%~85% 以銨離子的形態(tài)存在，即魚能夠?qū)h(huán)境中原本不易被水稻吸收利用的氮形式轉(zhuǎn)變成易于被水稻吸收利用的有效氮形式[36]。作為稻田綜合種養(yǎng)的典型代表，“稻蝦共作”能夠充分利用稻田的淺水環(huán)境和冬春閑置期，實現(xiàn)“一水兩用，一田雙收”，有效提高稻田產(chǎn)出率和資源利用率，增加農(nóng)戶收入。小龍蝦以稻田內(nèi)的秸稈、害蟲和水草等為食，可減少飼料投入，而其排泄物和剩余殘餌又可為水稻提供生物肥料，減少肥料投入，充分實現(xiàn)了水稻和小龍蝦的互利共生[37]。

1.6 稻田低碳減排稻作

減少稻田甲烷（CH4）排放是農(nóng)業(yè)碳減排與碳中和的有效途徑和舉措。近年來，我國頒布了多項未來農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，明確提出建立低碳減排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。遴選高產(chǎn)低排放水稻品種，可有效減少稻田CH4排放。這些品種往往具備收獲指數(shù)高、穗大粒重、莖稈輸氧能力強、根系發(fā)達等生物學特征，同時具有高產(chǎn)與減排的潛力[38]。優(yōu)化水分灌溉管理是稻田CH4減排的關(guān)鍵，中國水稻研究所研發(fā)了“好氧減排灌溉模式”，通過科學合理的控制稻田水量，形成淺、干、濕靈活調(diào)節(jié)的稻田CH4低排放水分管理模式，可減少稻季50%~70%CH4排放量，綜合增溫潛勢減少60%~70%[39]。優(yōu)化種植方式對于減少稻田CH4排放也有一定效果。采取淺水直播或旱直播技術(shù)，可消除育秧期間CH4排放，實現(xiàn)節(jié)本省工、穩(wěn)產(chǎn)降耗[38]。對于丘陵山區(qū)的淹水稻田，開溝起廂覆膜栽培，可以在灌溉時保持廂面無水、溝內(nèi)有水、土壤濕潤的狀態(tài)，相比不覆膜栽培可減少50%~86%CH4排放[38]。施肥、有機物料投入和秸稈管理也能通過影響稻田土壤可利用碳氮養(yǎng)分，進而改變稻田CH4排放。例如，緩控釋化肥、添加脲酶/硝化抑制劑的穩(wěn)定性肥料、側(cè)深施肥可減少稻田13%~43%CH4排放，協(xié)同減少N2O 排放和NH3揮發(fā)，提高肥料利用效率，在等養(yǎng)分投入條件下可提高水稻產(chǎn)量10%~28%[40-41]。此外，近期較多研究指出，稻田綜合種養(yǎng)能減少稻田CH4排放，減排比例可達19%~35%[38,42]。

2 水稻栽培學科國外研究進展

在水稻機械化生產(chǎn)技術(shù)方面，歐美、日韓等發(fā)達國家水稻生產(chǎn)已實現(xiàn)全程機械化。美國、意大利和澳大利亞等國以機械化直播為主，日本、韓國等國家則以機械化插秧為主。近年來，隨著計算機技術(shù)和生物技術(shù)的應(yīng)用，歐美等國在數(shù)智農(nóng)業(yè)發(fā)展中取得了長足進步，水稻生產(chǎn)逐步走向了計算機集成自適應(yīng)生產(chǎn)，如美國在水稻種植過程中廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)可實時監(jiān)測并查清水稻生長過程中田地的土壤性狀與生產(chǎn)力狀況，使用紅外成像系統(tǒng)配合衛(wèi)星鳥瞰和觀察農(nóng)作物長勢情況，配合生物量地圖系統(tǒng)及時判斷作物是否缺少營養(yǎng)素，獲得當下最適合作物生長的肥料配方，從而通過變量施肥技術(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)耕作過程中的水、肥等生產(chǎn)要素投入量，生產(chǎn)更趨向智慧化、自動化[43]。

國外在控制稻田溫室氣體排放方面也做了大量工作。中期曬田、干濕交替和間歇性灌溉是日本目前大范圍推廣的CH4減排水分灌溉模式，并提出延長稻田中期曬田持續(xù)時間以進一步降低CH4排放[38]。此外，日本也將秸稈堆肥完全腐解后再還田，并大力發(fā)展堆肥設(shè)備，或者將秸稈作為飼料喂養(yǎng)牲畜過腹后堆肥還田，這些措施均能顯著減少秸稈直接還田后導致的CH4大量排放[38]。印度、越南、泰國等亞洲水稻主產(chǎn)國，相繼提出通過水稻集約化生產(chǎn)、推廣直播稻、旱稻栽培技術(shù)來降低CH4排放，并將干濕交替、間歇性灌溉等作為減排技術(shù)進行應(yīng)用示范[44]。

3 水稻栽培學科發(fā)展趨勢及展望

隨著人民生活水平的提高，我國稻米消費結(jié)構(gòu)逐步發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，市場對稻米的需求已由“吃飽”向“吃好”轉(zhuǎn)變，消費者更加注重品質(zhì)、安全與健康。

消費者的需求是水稻耕作栽培學科的研究目標。本學科未來發(fā)展方向有：一是豐產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)并重，綠色與高效兼顧，在水稻豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)協(xié)同規(guī)律探索及其調(diào)控技術(shù)上取得重大突破。二是綠色栽培措施的研究與應(yīng)用，驅(qū)動我國水稻生產(chǎn)由資源消耗型向綠色高效型轉(zhuǎn)變，篩選綠色豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻新品種，研發(fā)精準高效施肥施藥以及減控污染的新理論與新技術(shù)，構(gòu)建稻田綠色生態(tài)系統(tǒng)和水稻優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)綠色發(fā)展新模式。三是以水稻低碳可持續(xù)發(fā)展為核心，研究稻田固碳減排關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建水稻低碳綠色栽培新模式與新技術(shù)體系。四是全方位研究數(shù)字感知、智能決策、精準作業(yè)和智慧管理的農(nóng)藝、農(nóng)機、信息融合的關(guān)鍵技術(shù)及其整合應(yīng)用，構(gòu)建水稻耕、種、管、收全過程智能化、無人化栽培模式與技術(shù)體系，實現(xiàn)水稻栽培技術(shù)里程碑式的更新?lián)Q代。五是植物表型組學成為數(shù)智農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[45]。隨著植物表型獲取技術(shù)和設(shè)備的不斷完善，高通量表型組學研究正成為突破未來作物學研究和應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域?；诠趯咏Y(jié)構(gòu)的光學圖像分析、識別作物非生物脅迫等將是水稻表型組學研究與應(yīng)用的重要場景，也是本學科重要的研究領(lǐng)域。